Siłownie wiatrowe z silnikiem o poziomej osi obrotu wirnika – HAWT
Siłownie wiatrowe o poziomej osi obrotu określane są mianem siłowni klasycznych. Najczęściej tego typu elektrownie stosuje się w energetyce zawodowej. Składają się z wirnika o różnej ilości łopat osadzonego na wale głównym zamontowanym poziomo w konstrukcji gondoli.
Osadzony na wale wirnik napędza generator elektryczny. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością 15-20 obr/min, natomiast typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. W związku z tym niezbędne jest użycie skrzyni przekładniowej, w której dokonuje się zwiększenie prędkości obrotowej. Najczęściej spotyka się wirniki trójpłatowe, zbudowane z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem. W piaście wirnika umieszczony jest serwomechanizm pozwalający na ustawienie kąta nachylenia łopat (skoku). Gondola musi mieć możliwość obracania się o 360 stopni, aby zawsze można ustawić ją pod wiatr. W związku z tym na szczycie wieży zainstalowany jest silnik, który poprzez przekładnię zębatą może ją obracać. W elektrowniach małej mocy, gdzie masa gondoli jest stosunkowo mała, jej ustawienie pod wiatr zapewnia ster kierunkowy zintegrowany z gondolą. Pracą mechanizmu ustawienia łopat, i kierunkowania elektrowni zarządza układ mikroprocesorowy na podstawie danych wejściowych (np. prędkości i kierunku wiatru). Ponadto w gondoli znajdują się: transformator, łożyska, układy smarowania oraz hamulec zapewniający zatrzymanie wirnika w sytuacjach awaryjnych.
Rys.1 Budowa siłowni wiatrowej
Poniżej przedstawiam budowę jednej z popularniejszych konstrukcji, siłowni Vestas
Rys.2 Elektrownia wiatrowa Vestas V80 (2 MW) 1) sterownik piasty 2) cylinder systemu sterowania łopatami 3) oś główna 4) chłodnica oleju 5) skrzynia przekładniowa 6) sterownik VIP z konwerterem 7) hamulec postojowy 8) dźwig serwisowy 9) transformator 10) piasta wirnika 11) łożysko łopaty 12) łopata 13) układ blokowania wirnika 14) układ hydrauliczny 15) tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika 16) pierścień układu kierunkowania 17) rama 18) koła zębate układu kierunkowania 19) generator 20) chłodnica generatora.
Turbina obok generatora jest najważniejszym elementem elektrowni wiatrowej. Za jej pośrednictwem pozyskiwana jest energia mechaniczna ze strugi powietrza. Jej parametry konstrukcyjne decydują o właściwościach całej siłowni, a w szczególności o mocy i prędkości obrotowej. Od konstrukcji wirnika wiatrowego zależą gabaryty urządzenia. W oparciu o rozwiązanie tego problemu dobierane są kolejne elementy całego urządzenia, jak np. generator, przekładnia oraz wysokość masztu lub konstrukcji nośnej.
Rys.3 Rodzaje turbin wiatrowych z osia poziomą obrotu
Wirnik tradycyjny w zależności od jego umiejscowienia w stosunku do wiejącego wiatru, przed lub za wieżą, można podzielić na: down-wind (zawietrzne) i up-wind (ustawione pod wiatr). Down-wind jest to niezbyt popularne rozwiązanie, gdyż należy liczyć się ze stratami spowodowanymi częściowym (choć chwilowym) zacienieniem wirnika przez konstrukcję masztu.
Ogólna zasada działania siłowni wiatrowej z wirnikiem o osi poziomej
Napływający na wirnik strumień powietrza dzięki odpowiedniemu ustawieniu łopat wywołuje ruch obrotowy wirnika. Energia obracającego się wirnika może być wykorzystywana bezpośrednio do napędzania urządzeń mechanicznych (np. pompy) lub poprzez sprzężenie z generatorem do wytwarzania energii elektrycznej. Ster kierunkowy pozwala na utrzymanie całego wirnika w odpowiednim położeniu względem wiatru zwiększając wykorzystanie energii wiatru.
Rys 4. Zasada działania siłowni z wirnikiem o osi poziomej
Powstawanie siły nośnej
Powietrze opływające górną część skrzydła ma większą drogę do pokonania, a więc porusza się szybciej, dzięki czemu ciśnienie jest mniejsze niż na dolnej części skrzydła.
Rys 5 . Aerodynamika skrzydła, po lewej powstawanie siły nośnej, po prawej zjawisko przeciągnięcia przy zbyt dużym kącie natarcia
Na rysunku powyżej pokazany jest przekrój profilu skrzydła samolotu. Jego specyficzny kształt powoduje, że powietrze ślizgające się wzdłuż górnej powierzchni porusza się szybciej niż wzdłuż powierzchni dolnej. Oznacza to, że ciśnienie na górnej powierzchni będzie niższe niż na dolnej. Tworzy to siłę nośną, która działając na skrzydło utrzymuje samolot w powietrzu. Jest ona prostopadła do kierunku wiatru. Ta sama siła, która utrzymuje w powietrzu samolot powoduje, że wirnik elektrowni wiatrowej obraca się na wietrze.
Wartość siły nośnej zależy od powierzchni skrzydła, gęstości powietrza i jego prędkości oraz od kształtu skrzydła.
gdzie:
Fz – siła nośna
A – pole powierzchni skrzydła wirnika
ρ- gęstość powietrza
Cz – współczynnik kształtu skrzydła
V – prędkość wiatru
Współczynnik kształtu można wyznaczyć ze wzoru:
gdzie:
m – współczynnik zależny od kształtu profilu, dla profilu skrzydła wynosi około 3,0
α – kat natarcia
α0 – kat natarcia dla którego siła nośna jest równa 0
Kąt natarcia dla którego siła nośna spada do 0 występuje przy tzw. „przeciągnięciu”. Przeciągnięcie, to zjawisko polegające na oderwaniu się strug powietrza od skrzydła, powodujące zanik siły nośnej. W praktyce wartość współczynnika Cz dla łopat wirnika waha się w granicach 1,3-1,7.
Krzywa mocy turbiny wiatrowej
Wielkość energii elektrycznej generowanej przez turbinę wiatrową zależy przede wszystkim od prędkości wiatru, która we wzorze na siłę nośną występuje w kwadracie. Moc elektrowni wiatrowej w funkcji prędkości wiatru przedstawia się za pomoca tzw. „krzywej mocy”.
Charakterystycznymi punktami dla tej krzywej są:
– Punkt startu (cut on) jest to prędkość wiatru począwszy od której śmigła zaczynają się obracać i na wale turbiny pojawia się moment mechaniczny. W zależności od konstrukcji turbiny punkt startu ma wartość od 3 m/s do 5 m/s
– Punkt wyłączenia (cut off) jest to prędkość, przy której następuje zatrzymanie turbiny ze względu na zagrożenie mechaniczne konstrukcji. Punkt wyłączenia ma wartość z przedziału 23 d0 27 m/s
– Punkt prędkości znamionowej jest to prędkość wiatru, przy której turbina osiąga swoją moc znamionową. Zazwyczaj jest to prędkość od 11 do 16 m/s
Regulacja przez ustawienia kąta łopat (pitch controlled)
W elektrowniach z regulacją typu „pitch”, elektroniczny kontroler turbiny sprawdza moc wyjściową kilka razy na sekundę. Kiedy staje się ona zbyt wysoka, wysyła sygnał do mechanizmu ustawienia kąta łopat, który natychmiast koryguje ich kąt aby zmniejszyć moment napędowy wirnika. Kiedy wiatr słabnie ma miejsce sytuacja dokładnie odwrotna. Łopaty wirnika muszą zatem posiadać możliwość obrotu wokół własnej osi (regulacji kąta natarcia). Układy regulacji typu „pitch” wymagają niezwykle zaawansowanych technologii, aby mieć pewność że kąt natarcia łopat jest dokładnie dostosowany do warunków wiatrowych. Komputer będzie przestawiał łopatę o kilka stopni za każdym razem gdy zmieni się prędkość wiatru, tak aby utrzymać stałą moc wyjściową. Mechanizm regulacji kąta natarcia jest zazwyczaj realizowany za pomocą siłowników hydraulicznych umieszczonych w piaście wirnika.
Pasywna regulacja przez przeciągnięcie (stall controlled)
Przy pasywnej regulacji typu „stall” łopaty są przymocowane do piasty przy stałym kącie. Geometria profilu łopaty jest tak dopracowana aerodynamicznie, że w momencie, gdy wiatr staje się zbyt silny, zapewnia powstanie turbulencji na części łopaty, które ograniczają moment napędowy wirnika. Płaty są zaprojektowane tak, że stan przeciągnięcia postępuje od osi obrotu płata. Im większa jest prędkość wiatru, tym większa część płata jest w stanie utykania. Przyglądając się bliżej łopacie wirnika dostosowanego do tego typu regulacji można zauważyć, że jest ona charakterystycznie skręcona. Robi się to między innymi po to, aby wirnik ulegał przeciągnięciu stopniowo i nie reagował gwałtownie przy silniejszych podmuchach. Najbardziej oczywistą zaletą regulacji „stall” jest brak skomplikowanego mechanizmu regulacji kąta ustawienia łopat i całego układu kontroli z tym związanego. Z drugiej strony tego typu regulacja wiąże się z projektowaniem niezwykle złożonego aerodynamicznie płata. Dużym wyzwaniem jest też struktura całej elektrowni, która musi znosić drgania związane z turbulencją. Około dwie trzecie turbin na świecie posiada tego typu regulacje.
Aktywna regulacja przez przeciągnięcie (active stall controlled)
Technicznie przypomina ona regulację typu „pitch”, ponieważ także wykorzystuje regulację kąta natarcia łopat. Różnice można zauważyć w momencie, gdy generator ulega przeciążeniu, wtedy mechanizm przestawia łopaty w odwrotnym kierunku niż w regulacji „pitch”. Innymi słowy wzrasta kąt natarcia łopaty, aby wprowadzać ją w stan coraz głębszego przeciągnięcia, aby w ten sposób wytracić nadmiar energii wiatru, który mógłby uszkodzić turbinę. Korzyścią z aktywnej kontroli typu „stall” jest możliwość większej dokładności kontroli mocy wyjściowej niż przy regulacji pasywnej, co umożliwia uniknięcie przekroczenia mocy znamionowej generatora przy nagłych podmuchach wiatru. Kolejną korzyścią jest możliwość pracy z mocą bardzo zbliżoną do znamionowej przy wysokich prędkościach wiatru. Przy regulacji pasywnej następuje wtedy spadek produkcji mocy, gdyż łopaty wchodzą w coraz większe przeciągnięcie.
Regulacja przez zmianę kierunku (Yaw Control)
Regulacja ta polega na obrocie gondoli i tym samym osi obrotu wirnika elektrowni względem kierunku napływającego wiatru. Może ona być zrealizowana w sposób aktywny lub pasywny. Kierunkowanie pasywne jest zapewnione przez umieszczenie chorągiewki kierunkowej na gondoli. Daje to efekt w postaci ustawienia wirnika na wprost kierunku wiatru. Rozwiązanie takie stosowane jest tylko w niewielkich urządzeniach pracujących dla małych odbiorców. W dużych instalacjach, o mocach kilkudziesięciu kilowatów do kilku megawatów, wymagane jest stosowanie aktywnej regulacji kierunku ustawienia. Na szczycie wieży znajduje się zębaty pierścień, który połączony jest z kołem zębatym osadzonym na wale silnika kierunkowego. Silnik obracając się powoduje ustawienie turbiny w odpowiednim kierunku. Ponieważ moc zależy od powierzchni zarysu wirnika, odsunięcie siłowni od głównego kierunku wiatru powoduje zmniejszenie użytecznej powierzchni zarysu wirnika i ograniczenie oddawanej mocy.
Kiedy elektrownia nie pracuje, układ regulacji kierunku także jest wyłączony. Mechanizm regulacji jest sterowany przez elektroniczny kontroler, który kilka razy na sekundę sprawdza odczyty z wiatrowskazu i w razie potrzeby koryguje ustawienie kierunku.
Regulacja przez zmianę obciążenia (Load Control)
Metoda ta polega na zmianie rezystancji stanowiącej obciążenie generatora. W ten sposób „przenosi się” punkt pracy siłowni z jednej charakterystyki mechanicznej na inną, bardziej korzystną dla aktualnie panujących warunków (prędkości i kierunku wiatru). Zmiana rezystancji musi odbywać się łagodnie, zbyt gwałtowny wzrost momentu obciążenia mógłby spowodować uszkodzenie turbiny, wału, łożysk itp.
Regulacja lotkami łopat wirnika (Aileron Control)
Jest to rzadko spotykany sposób regulacji, który był stosowany w początkach rozwoju energetyki wiatrowej. Polega on na zmianie charakterystyki aerodynamicznej łopat przez korekcję ustawienia tzw. lotek. Regulacja taka znajduje natomiast powszechne zastosowanie w lotnictwie podczas startu i lądowania samolotu.
Regulacja przez zmianę poślizgu generatora.
Niektóre generatory posiadają możliwość regulacji prędkości obrotowej poprzez zmianę poślizgu. Zdolność do regulacji prędkości turbiny w ten sposób jest szczególnie przydatna w elektrowniach z regulacją mocy poprzez zmianę kąta natarcia łopat. W dużych duńskich elektrowniach (600 kW i większych) stosuje się następującą strategie: kiedy generator oddaje moc zbliżoną do znamionowej poślizg ustawia się na połowę jego wartości maksymalnej. Kiedy wiatr się wzmaga, elektroniczny kontroler przesyła sygnał, aby zwiększyć poślizg, co pozwoli przyspieszyć trochę wirnikowi, dając czas na skorygowanie kąta natarcia łopat, po czym poślizg znowu się zmniejsza. W przypadku, gdy wiatr słabnie następuje sytuacja odwrotna. Zaletą tej strategii jest lepsza jakość energii, jaką otrzymujemy. Wahania mocy wyjściowej są niejako tłumione przez wypuszczanie albo gromadzenie energii jako energii obrotowej wirnika.
Źródło:
– instsani.pl